CN86101093A - 实现减小反射的光能传输方法和装置 - Google Patents

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Abstract

连接器，它采用了非接触光纤，但显示出减小能量反射的特性，它包括具有与期望能量输出轴相对准的中心轴的外壳。一通道穿过该外壳并与该外壳中心轴成预定的第一夹角。在该通道中装有一根光纤，其端面与该光纤纵轴成预定的第二夹角。选定第一和第二夹角的目的是消除从该端面沿这段第一光纤向回的反射，并同时为沿能量输出轴从光纤端面射出的能量提供有效的耦合。

Description

本发明一般地涉及光能的传输，特别是涉及减小对传输有害的能量反射的传输光能的方法和装置。
在光能传输过程中，有许多情况都需要减小，如果不是消除的话，传输能量沿着传输轴的背反射，例如，从能量耦合界面的反射。能量反射至激光器的能量输出轴的情况会出现在激光器输出光纤和另一根光纤的耦合界面处，这种反射能明显地干扰计划的激光输出能量和性能。
光纤端之间耦合界面处的能量反射可通过下述方法消除：（1）使载光的纤芯作物理接触;（2）在光纤之间引入光学匹配液或凝胶;（3）在非接触光纤端面“镀上”光学镀膜。在实用光纤耦合器的制造和/或使用中这些技术的每一种都有严重的缺点。
这种光纤连接器性能的可预测性和一致性比整个系统的设计更为重要。虽然在系统设计中允许存在恒定大小的有限连接器损耗，但是传输能量沿着能量传输轴向回的（例如沿上述激光输出光纤向回的）反射率变化所引起连接器畸变，对系统设计人员是不能允许的。
按照申请人的观点，所讨论的这一领域目前的工艺水平不能满足现时工业上的要求。
本发明的主要目的是提供使用接触光纤但显示出减小的能量反射特性的光连接器。
本发明的一个更具体的目的是要提供具有基本上恒定的低损耗和低反射率特性的光连接器。
为了达到上述目的和其他目的，本发明提供了一种光能传输方法和装置，其中外壳的中心轴同所要求的能量输出轴相对准。一个通道贯穿这个外壳，它与外壳中心轴之间有预定的第一夹角。该通道中放置了一根光纤，其端面经过研磨抛光，与该光纤的纵轴之间有一预先选定的第二夹角。选择第一和第二夹角的目的是，既消除从第一根光纤端面沿着其长度方向向回的反射，又提供从该光纤端面沿着能量输出轴的足够的能量耦合。
通过下面对本发明的方法和装置的详细描述，以及附图（在这些附图中同样的标号始终表示同样的部件），将会对本发明的上述及其他目的有更进一步的理解。
图1是按照本发明的一个光纤组件的中心剖视图，该光纤没有取剖面。
图2是图1组件的右视图。
图3是图1的光纤组件连同其线外壳的放大图解说明。
图4是图1组件进一步放大后的部分说明图。
图5是按照本发明的第一连接器实施方案的中心剖面图。
图6是相互配合的图5实施方案的光纤的说明图。
图7是按照本发明的第二连接器实施方案的中心剖视图。
图8是相互配合的图7实施方案光纤的说明图。
参看图1和2，光纤组件10包括外壳或插头12，在沿着外壳中心轴18的外壳通道16中有带有载光中心纤芯26的光纤14。外壳12包括由以截锥形表面20为界的端部，在这个外壳端部中的通道16部分与轴18之间有一个锐倾角。光纤14包括相对于该光纤的纵向中心轴24有一定的倾斜的端面22。外壳12带有与光纤端面22相邻接的表面部分12a和12b，同样地相对于光纤的纵轴有一定的倾斜。
再看图3，芯直径为D的光纤14，从其通常的圆横截面30磨成端面22。光纤14相对于外壳轴18有第一锐角Ⅰ。端面22和与光纤轴24垂直的表面30之间的夹角为第二锐角Ⅱ。现在根据图4来讨论本发明的做法，该图比其他图更确切地表示了本发明的具体内容，其他图只是打算给出一般的说明。
图4的做法既减小了背反射，又使能量耦合同与图1的光纤组件10的轴18相对准的输出能量传输轴相一致。简要地说，在图4的做法中，为了得到这一结果，申请人在了解光纤14和光纤端面22外面的媒质各自的折射率的情况下，对角Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ（能量从端面22折射进入周围外界媒质的折射角）进行控制。虽然在连接中从端面22的反射会引起能量损耗，但对于申请人来说，连接中反射能量的消散要远为重要得多。因此，根据申请人的观点，在工业上，具有已知一致的能量损耗和低反射率特性的连接器远比那些虽显示出较高的耦合效率但却具有其他实际缺点的连接器要好。
从一个观点看，图4的做法涉及到求出角Ⅰ，从而使光纤轴24和输出轴18成锐角相交。对角Ⅱ进行适当选择，使得光纤端面22所在平面和光纤轴之间不垂直。特别地，在使用单模光纤时，角Ⅱ应当大致等于或大于0.6λ。除以D与nF的乘积，这里λ0是该光纤中传输的光在自由空间的波长，nF是光纤的折射率，D是用与导光纤维中的自由空间波长同样单位计量的纤维光波导芯径。这个角度的选择决定了角Ⅲ，角Ⅲ是由角Ⅱ和现有的物理折射率参数得到的。
作为一个特定的例子，角Ⅱ可以是三又十分之六（3.6）度左右。由已知的光折射定律，适用下述方程（1）：
SinⅢ/SinⅡ＝nF/nM    （1）
式中nF是光纤14的折射率，nM是光纤端面22外部的媒质的折射率。对于典型的光纤，nF大约是一又二分之一（1.5）。在媒质是空气时，nM近似是1.0。对于所讨论的小角度，正弦值就等于角度值。于是角Ⅲ是nF与角Ⅱ的乘积，在所讨论的这个例子中，其值约为五又十分之四（5.4）度。因此，在角Ⅰ大约是一又十分之八（1.8）度的情况下，就实现了沿传输轴18的耦合。更一般说来，在这个例子中，角Ⅰ和Ⅱ之和等于角Ⅲ。
在进一步说明图4的做法时，可以从选择所要求的反射的衰减开始，就是先选择角Ⅱ。然后连带地选择角Ⅰ和Ⅲ，以得到沿着输出轴18的传输。
至于从端面22向左的反射，它被从光纤纵轴24以角34偏转至无害轴32。在上述例子中，角34大约是七又十分之二（7.2）度（角Ⅱ的两倍）。因此，反射光波不会沿着纤芯传送回显著的信号。
再看图5，连接器44包括外套45，该外套的内部结构有截锥形表面45a和45b，它们适于安置图1-2的光纤组件10和第二光纤组件46，后者包括光纤48和外壳或插头50，这个组件具有一般的结构，即其中光纤端面52是横截光纤48纵轴的圆形横截面并与耦合界面36对齐。在这个实施方案中，从端面52进入光纤14的减小的能量反射是沿轴线24进行的，而不是象具有组件46的结构的两个组件相配合时那样（后一种情况是目前在商业实践上所常见的）。因此，通过使光纤14的端面22相对于其纵轴有一倾角，以及使该光纤本身相对于能量输出轴有一倾角，实现了由图5的做法所提供的改进。在图6示出了放大后的部件之间的相互关系，在该图中，光纤48的纵轴49与光纤14的输出轴18相一致。
现在参看图7，该图显示了在连接器方面的一个本发明最佳实施方案，在该图中沿着光纤轴24的反射比在图5的实施方案中得到的反射又进一步减小了。这里，连接器54包括安置光纤组件10和光纤组件56的外套55，光纤组件56的结构与组件10一样，即包括以相同于组件10的光纤14的倾斜关系安置在外壳60中的光纤58，它具有倾斜的端面62，该端面62与光纤58纵轴64的倾角和端面22与光纤14纵轴24的倾角一样。参看图8，该图显示了光纤14和58之间的几何关系，由此它们共同具有能量传输轴18。
尽管结合了位于图1插头12端部中的、与传输轴有一定倾角的全部外壳通道16来说明本发明，但是应当理解，通过只把一部分通道和位于里面的光纤设置在这样的倾角，就可以实施本发明并享受到其效果。所以，可把包括端面22在内的光纤端部置于倾角Ⅰ，而光纤的其他部分仍可以其他方式设置在外壳中。
另外，十分明显的是，还可以用装在母套管结构中内含光纤的圆柱形套筒来实现本发明，在母套管有一个圆柱形孔，用来装这个套筒。本发明也能容易地用于多模光纤，就象内行人根据本发明中对单模光纤的上述说明所理解的那样。
在不偏离本发明的情况下就可进行实际中的上述的和其他变化，以及对结构和构造的修正。因此，应当了解，这里所具体公开的最佳实施方案和做法是用于说明而非限定目的的。本发明的真正精神和范围是在下面的权利要求书中提出的。

Claims (10)

1、光纤组件，包括：
(a)外壳，它确定贯穿它的用来在其中放置光纤的通道，并具有构成能量输出轴的中心轴，至少有一部分紧邻所述能量输出轴的所述通道沿着与所述能量输出轴以第一锐角相交的轴延伸；
(b)放置在所述的外壳通道中的细长光纤，这根光纤因此在所述通道部分中与所述能量输出轴成所述第一锐角，所述光纤确定有与所述的能量输出轴斜交的端面，所述光纤端面与所述光纤纵轴成第二锐角。
2、权利要求1所要求的发明，其中所述外壳包括具有截锥形外表面的端部，并且在所述端部中的全部所述通道沿着与所述能量输出轴以第一锐角相交的轴线延伸。
3、权利要求1所要求的发明，其中所述外壳包括与所述的光纤端面相邻的外表面，这些外表面和光纤端面在同一平面上，并处于所述第二锐角。
4、权利要求1所要求的发明，其中所述第一和第二锐角之和等于能量从所述光纤端面折射进入所述光纤外面周围媒质的折射角。
5、权利要求1所要求的发明，其中（a）中的所述外壳是第一外壳，所述组件还包括：（c）第二外壳，它确定有贯穿它的、用来在里面旋转光纤的通道，所述第二外壳具有在轴向上与所述第一外壳能量输出轴相对准的中心轴;
（d）放置在所述第二外壳通道中的第二细长光纤，它确定有与所述第一外壳能量输出轴斜交且与所述第一光纤端面之间有能量交换的纤维端面。
6、权利要求5所要求的发明，其中至少一部分所述第一外壳通道沿着与所述第一外壳能量输出轴以第三锐角相交的轴线延伸。
7、权利要求6所要求的发明，其中所述第二光纤确定有与所述第二光纤纵轴成第四锐角的端面。
8、权利要求7所要求的发明，其中所述第一外壳包括具有截锥形外表面的端部，所述第一光纤通道全部与所述第一外壳能量输出轴以所述第一锐角相交且其中所述第二外壳包括具有截锥形外表面的端部，所述第二外壳通道的全部与所述第一外壳能量输出轴以所述第三锐角相交。
9、权利要求7所要求的发明，其中所述的第三锐角等于所述第一锐角且其中所述第四锐角等于所述第二锐角。
10、权利要求7所要求的发明，其中所述第一和第二锐角之和等于能量从所述第一光纤端面折射进入所述第一光纤外部周围媒质的折射角。
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